卫星单轨任务合成观测问题及其动态规划算法

　　0　引　言

　　遥感卫星利用星载遥感器获取地面图像信息,具有覆盖区域广、持续时间长、侦察效果好、不受空域国界限制等优势,在军事侦察、环境监测等方面有重要的应用。卫星观测调度是在资源约束下,合理安排任务的观测资源及观测时间,实现最大观测任务的目的[1]。卫星观测调度为一类约束优化问题,具有组合特征,被证明为NP-hard问题[2]。多数研究将待观测目标均作为一个单独任务安排观测[3-5],但对于某些侧摆性能受限的卫星来说,还具有合成观测需求。根据卫星遥感器成像机理可知,星载遥感器具有一定的视场角,成像时能够观测地面上一定幅宽的条带区域(如图1所示)。

　　若多个目标同时处于卫星的观测条带范围内时,可以将它们同时纳入观测范围,即合成观测。任务合成观测产生的新任务称为合成任务。

　　多个任务合成观测必须满足两个必要条件[6]:(1)角度约束:卫星对多个目标的观测角的差值必须在一定范围内,即它们在穿越卫星轨迹方向上的距离必须在遥感器的单个视场宽度内,允许的最大角度差为遥感器视场角;(2)时间约束:卫星具有单次最长开机时间限制,目标的时间窗口必须在单次最长开机时间范围内。

　　图1　任务合成观测示意图

　　卫星采用合成观测有许多优势:首先,将多个相邻的任务合成观测可以减少开关机操作次数及遥感器侧摆操作次数,有利于保护卫星资源。其次,多个观测活动间的姿态转换时间与侧摆速率及角度差异相关。若转换时间不足,任务就不能被安排。如图2所示,目标i及j间转换时间不足,只能安排其中的一个任务,采用合成观测则有可能将其全部安排观测。

　　图2　任务间转换时间示意图

　　最后,由于侧摆成像会影响卫星的姿态稳定,因此,卫星在每个轨道圈次内的侧摆成像次数具有严格限制。若不采用合成观测,每轨内卫星能够观测的任务数量非常有限。对一些侧摆性能受限的卫星而言,其侧摆速率慢,转换时间长,单圈内的侧摆次数较少,采用合成观测非常必要。尽管遥感卫星采用侧摆成像及合成观测方式可能会引起图像分辨率变化及图像畸变[7],但在一定范围内,为了扩大观测范围,采用此方式是可以接受的,因此,本研究中忽略其影响。另外,卫星的侧摆约束一般是限制在卫星的单个轨道圈次内,本文也主要针对卫星在单轨内的合成观测活动展开研究。

　　卫星对任务合成观测主要是根据遥感器侧摆机动性能较差卫星的使用特点而提出的一类特殊需求,Cohen考虑了卫星遥感器采用固定角度观测时,观测条带对多个目标的覆盖情况,并考虑了合成覆盖任务的优先级调整问题[8]。文献[6]综合考虑了任务间的角度差异与观测时间差异,对目标的访问参数优化,对相邻目标的观测角度进行修正,以采用相同角度进行观测。文献[9]则只针对侧视角度相同的任务的观测时间段进行合成。